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基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究

包岩峰 郝玉光 赵英铭 辛智鸣 董雪 李永华

包岩峰, 郝玉光, 赵英铭, 辛智鸣, 董雪, 李永华. 基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
引用本文: 包岩峰, 郝玉光, 赵英铭, 辛智鸣, 董雪, 李永华. 基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
Bao Yanfeng, Hao Yuguang, Zhao Yingming, Xin Zhiming, Dong Xue, Li Yonghua. Windbreak effects of shelterbelts in oases of the Ulan Buh Desert based on the analysis of wind speed field[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
Citation: Bao Yanfeng, Hao Yuguang, Zhao Yingming, Xin Zhiming, Dong Xue, Li Yonghua. Windbreak effects of shelterbelts in oases of the Ulan Buh Desert based on the analysis of wind speed field[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122

基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
基金项目: 国家自然科学基金委青年科学基金项目“梭梭人工林配置结构对防风固沙效果的影响及机理”(31600581),中央级公益性科研院所基本科研业务专项(CAFYBB2017E005),基于低覆盖度理论的防沙治沙新材料、新装备、新技术研究(2018YFC0507101-02)
详细信息
    作者简介:

    包岩峰,助理研究员。主要研究方向:荒漠化防治。Email:baoyanfeng@caf.ac.cn 地址:100091 北京市海淀区槐树居路10号中国林业科学研究院荒漠化研究所

    通讯作者:

    李永华,副研究员。主要研究方向:荒漠化防治。Email:lyhids@caf.ac.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S728.2

Windbreak effects of shelterbelts in oases of the Ulan Buh Desert based on the analysis of wind speed field

  • 摘要:   目的  基于风速流场分析方法对比乌兰布和沙漠绿洲5种典型配置结构防护林的防风效果,通过量化不同林网内的风速流场分布特征,分析各林网内的风速统计参数,进一步优化防护林配置结构,以期为干旱区绿洲防护林建设提供理论依据和参考模板。  方法  在乌兰布和沙漠磴口绿洲防护林中,选取5种不同配置结构林带的防护林林网为研究对象(紧密型乔木林网1,疏透度为0.13;疏密型乔木林网2,疏透度为0.24;疏透型乔灌混交林网3,疏透度为0.27;通风型乔木林网4,疏透度为0.39;疏透型乔木林网5,疏透度为0.27),在林网内采集多点同步风速数据信息,结合地学和统计学分析方法,分析不同林网内的风速流场特征、风速分布统计参数和防风效能等。  结果  研究表明5种防护林林网其防风效能范围各不相同,林网1为65% ~ 95%,林网2为67% ~ 85%,林网3为46% ~ 82%,林网4为44% ~ 67%,林网5为56% ~ 72%。其中2行乔木构成的疏密型林网2防风效能在67%以上,具有较高的防风效益和节约水土资源优势;由2行乔木2行灌木混交林带构成的林网3,当防风效能为60%时,其防护面积是2行纯乔木林带(林网4)的2.47倍,具有较好的防护效益和应用推广前景。  结论  乌兰布和沙漠绿洲中由2行乔木构成的疏密型林网和“窄林带,小网格”配置的乔灌混合林网均发挥了较好的防风效果。
  • 图  1  不同类型防护林林网

    Figure  1.  Different types of shelterbelt nets

    图  2  防护林林网观测点分布

    H代表树高。H represents tree height.

    Figure  2.  Distribution of observation sites in shelterbelt nets

    图  3  防护林林网1内风速(m/s)流场分布

    Figure  3.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 1

    图  4  防护林林网2内风速(m/s)流场分布

    Figure  4.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 2

    图  5  防护林林网3风速(m/s)流场分布

    Figure  5.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt 3

    图  6  防护林林网4内风速(m/s)流场分布

    Figure  6.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 4

    图  7  防护林林网5内风速(m/s)流场分布

    Figure  7.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 5

    图  8  不同配置防护林林网内风速频数分布特征

    Figure  8.  Distribution characteristics of wind speed frequency in different allocated shelterbelt nets

    表  1  不同防护林参数

    Table  1.   Parameters of different shelterbelts

    林网编号(实验地)
    Shelterbelt net No.
    (experimental site)
    林带
    Forest belt
    树种配置
    Tree species allocation
    株行距
    Plant row spacing /m
    树高
    Tree height/m
    枝下高
    Clear bole height (CBH)/m
    冠幅
    Crown width
    胸径
    DBH/m
    林带走向
    Trend of forest belt
    林网规格
    Shelterbelt net specification
    林网类型
    Shelterbelt net type
    林网1(二场)
    Shelterbelt net 1
    (experimental farm II)
    主林带a
    Auxiliary forest belt a
    新疆杨 + 箭杆杨
    Populus alba + P. nigra
    3 m × 7 m 20.0 1.8 1.9 m × 2.1 m 23.6 南北
    North-south
    300 m × 90 m 网格
    Net type
    主林带b
    Auxiliary forest belt b
    新疆杨 + 箭杆杨
    P. alba + P. nigra
    3 m × 7 m 20.6 1.7 1.5 m × 1.7 m 23.8 南北
    North-south
    副林带a
    Accessorial forest belt a
    新疆杨 + 箭杆杨
    P. alba + P. nigra
    4 m × 5 m 28.5 2.0 2.8 m × 3.6 m 28.8 东西
    East-west
    副林带b
    Accessorial forest belt b
    新疆杨 + 箭杆杨
    P. alba + P. nigra
    4 m × 5 m 24.0 2.4 3.1 m × 3.8 m 30.3 东西
    East-west
    林网2(三场)
    Shelterbelt net 2
    (experimental farm III)
    主林带a
    Auxiliary forest belt a
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 1.5 m 24.0 3.0 3.1 m × 3.8 m 27.5 南北
    North-south
    300 m × 140 m 网格
    Net type
    主林带b
    Auxiliary forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 1.5 m 22.5 1.9 2.7 m × 4.0 m 20.5 南北
    North-south
    副林带a
    Accessorial forest belt a
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 2 m 23.3 2.8 3.0 m × 2.2 m 24.3 东西
    East-west
    副林带b
    Accessorial forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 2 m 25.5 4.3 4.2 m × 2.4 m 26.0 东西
    East-west
    林网3(四场)
    Shelterbelt net 3
    (experimental farm IV)
    主林带a
    Auxiliary forest belt a
    小美旱杨 + 沙枣
    P. simonii + Elaeagnus angustifolia
    2 m × 6 m 14.2 4.2 3.1 m × 4.7 m 18.7 南北
    North-south
    240 m × 90 m “U”型
    “U” type
    主林带b
    Auxiliary forest belt b
    小美旱杨 + 沙枣
    P. simonii + E. angustifolia
    2 m × 6 m 14.5 3.8 3.3 m × 4.2 m 19.1 南北
    North-south
    副林带b
    Accessorial forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 2 m 22.0 2.6 2.2 m × 2.8 m 21.5 东西
    East-west
    林网4(四场)
    Shelterbelt net 4
    (experimental farm IV)
    主林带a
    Auxiliary forest belt a
    小美旱杨
    P. simonii
    2 m × 6 m 15.1 4.5 3.4 m × 4.9 m 19.4 南北
    North-south
    240 m × 90 m “U”型
    “U” type
    主林带b
    Auxiliary forest belt b
    小美旱杨
    P. simonii
    2 m × 6 m 15.6 4.2 2.9 m × 4.1 m 19.2 南北
    North-south
    副林带b
    Accessorial forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 2 m 20.4 2.7 2.1 m × 3.4 m 20.8 东西
    East-west
    林网5(四场)
    Shelterbelt net 5
    (experimental farm IV)
    主林带a
    Auxiliary forest belt a
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 4 m 18.0 1.9 1.4 m × 2.8 m 20.0 南北
    North-south
    90 m × 160 m “长方”型
    Rectangle type
    主林带b
    Auxiliary forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 4 m 18.4 2.1 1.7 m × 3.1 m 21.4 南北
    North-south
    副林带a
    Accessorial forest belt a
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 3 m 20.3 1.2 2.3 m × 1.7 m 23.0 东西
    East-west
    副林带b
    Accessorial forest belt b
    新疆杨
    P. alba
    1 m × 3 m 19.2 1.6 1.6 m × 2.7 m 22.5 东西
    East-west
    注:“U”型表示缺一条副林带的防护林林网。Note: “U” type means the shelterbelt net with one accessorial belt missing.
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    表  2  不同配置林网内风速分布统计参数

    Table  2.   Statistic parameters of wind speed distribution in different allocated shelterbelt nets

    林网
    Shelterbelt net
    样本数
    Sample number
    最大值
    Maximum /(m·s−1
    最小值
    Minimum /(m·s−1
    MSDSD峰度
    Kurtosis
    偏度
    Skewness
    CV/%
    林网1 Shelterbelt net 1 84 2.77 0.41 1.25 ± 0.06 0.594 − 0.099 0.725 47.5
    林网2 Shelterbelt net 2 91 3.61 1.54 2.45 ± 0.05 0.510 − 0.278 0.557 20.8
    林网3 Shelterbelt net 3 60 4.58 1.48 2.80 ± 0.08 0.620 0.749 0.006 22.1
    林网4 Shelterbelt net 4 56 4.02 2.47 3.23 ± 0.06 0.445 − 1.285 −0.280 13.8
    林网5 Shelterbelt net 5 48 3.56 2.28 3.02 ± 0.04 0.291 − 0.321 − 0.348 9.6
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    表  3  不同林网内风速半方差函数模型参数

    Table  3.   Semivariogram model parameters of wind speed in different shelterbelt nets

    林网
    Shelterbelt net
    拟合模型
    Fitting model
    块金值
    Nugget value (C0)
    基台值
    Partial sill (C0 + C)
    变程
    Range/m
    (C0/(C0 + C))/%R2残差
    Residual
    林网1 Shelterbelt net 1 高斯模型
    Gaussian model
    0.045 0.354 23.9 12.7 0.734 0.01
    林网2 Shelterbelt net 2 高斯模型
    Gaussian model
    0.001 0.321 95.3 0.3 0.821 0.01
    林网3 Shelterbelt net 3 球状模型
    Spherical model
    0.137 0.409 43.5 33.5 0.973 1.49 × 10− 3
    林网4 Shelterbelt net 4 高斯模型
    Gaussian model
    0.077 0.541 287 14.2 0.822 7.49 × 10− 3
    林网5 Shelterbelt net 5 高斯模型
    Gaussian model
    0.034 0.244 242.7 13.9 0.934 8.45 × 10− 4
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    表  4  不同防护林林网在相同防风效能下的防护面积及百分比

    Table  4.   Protection area and percentage of different shelterbelt nets underthe same windbreak efficiency

    防风效能
    Windbreak efficiency/%
    林网
    Shelterbelt net
    林网规格
    Shelterbelt net allocation
    林网面积
    Shelterbelt net area/m2
    防护面积
    Protection area/m2
    防护百分比
    Protection percentage/%
    70林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00026 124.796.8
    林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00040 477.696.4
    林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 6005 024.923.3
    林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 60000
    林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 400171.21.2
    65林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
    林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
    林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 6009 525.044.1
    林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 600377.61.8
    林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 4004 056.128.2
    60林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
    林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
    林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 60016 393.575.9
    林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 6006 638.030.7
    林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 40011 954.883.0
    55林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
    林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
    林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 60019 867.792.0
    林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 60015 712.072.7
    林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 40027 000.0100.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-05
  • 修回日期:  2019-11-12
  • 网络出版日期:  2020-08-19
  • 刊出日期:  2020-09-07

基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
    基金项目:  国家自然科学基金委青年科学基金项目“梭梭人工林配置结构对防风固沙效果的影响及机理”(31600581),中央级公益性科研院所基本科研业务专项(CAFYBB2017E005),基于低覆盖度理论的防沙治沙新材料、新装备、新技术研究(2018YFC0507101-02)
    作者简介:

    包岩峰,助理研究员。主要研究方向:荒漠化防治。Email:baoyanfeng@caf.ac.cn 地址:100091 北京市海淀区槐树居路10号中国林业科学研究院荒漠化研究所

    通讯作者: 李永华,副研究员。主要研究方向:荒漠化防治。Email:lyhids@caf.ac.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S728.2

摘要:   目的  基于风速流场分析方法对比乌兰布和沙漠绿洲5种典型配置结构防护林的防风效果,通过量化不同林网内的风速流场分布特征,分析各林网内的风速统计参数,进一步优化防护林配置结构,以期为干旱区绿洲防护林建设提供理论依据和参考模板。  方法  在乌兰布和沙漠磴口绿洲防护林中,选取5种不同配置结构林带的防护林林网为研究对象(紧密型乔木林网1,疏透度为0.13;疏密型乔木林网2,疏透度为0.24;疏透型乔灌混交林网3,疏透度为0.27;通风型乔木林网4,疏透度为0.39;疏透型乔木林网5,疏透度为0.27),在林网内采集多点同步风速数据信息,结合地学和统计学分析方法,分析不同林网内的风速流场特征、风速分布统计参数和防风效能等。  结果  研究表明5种防护林林网其防风效能范围各不相同,林网1为65% ~ 95%,林网2为67% ~ 85%,林网3为46% ~ 82%,林网4为44% ~ 67%,林网5为56% ~ 72%。其中2行乔木构成的疏密型林网2防风效能在67%以上,具有较高的防风效益和节约水土资源优势;由2行乔木2行灌木混交林带构成的林网3,当防风效能为60%时,其防护面积是2行纯乔木林带(林网4)的2.47倍,具有较好的防护效益和应用推广前景。  结论  乌兰布和沙漠绿洲中由2行乔木构成的疏密型林网和“窄林带,小网格”配置的乔灌混合林网均发挥了较好的防风效果。

English Abstract

包岩峰, 郝玉光, 赵英铭, 辛智鸣, 董雪, 李永华. 基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
引用本文: 包岩峰, 郝玉光, 赵英铭, 辛智鸣, 董雪, 李永华. 基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
Bao Yanfeng, Hao Yuguang, Zhao Yingming, Xin Zhiming, Dong Xue, Li Yonghua. Windbreak effects of shelterbelts in oases of the Ulan Buh Desert based on the analysis of wind speed field[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
Citation: Bao Yanfeng, Hao Yuguang, Zhao Yingming, Xin Zhiming, Dong Xue, Li Yonghua. Windbreak effects of shelterbelts in oases of the Ulan Buh Desert based on the analysis of wind speed field[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 122-131. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190122
  • 绿洲作为荒漠化土地上镶嵌的特殊生态景观,是干旱区生态系统中重要的组成部分,也是易受风沙侵害的敏感区域,承载了多种自然资源和人类生产生活要素[1-2]。通常情况下绿洲外围与原生荒漠直接接触,风沙流直接威胁绿洲内部的农田作物和人居安全,甚至可以导致半固定沙丘的活化及流动沙丘移动掩埋绿洲,严重影响绿洲的生产生活和可持续发展。绿洲外围也是沙漠—绿洲、绿洲—沙漠的重要过渡地带,对圈层间物质、能量、信息流的有序传递和脆弱生态平衡的支持以及生态系统功能的维系等都起到至关重要的作用[3-4]。所以在绿洲及其外围营造一定面积的防护林可以有效地减少绿洲内的土壤风蚀,减轻风沙流危害,同时对维持绿洲生态系统平衡,改善绿洲内的生态环境以及保障绿洲内人民的生产和居住安全具有重要意义。

    多年来,绿洲防护林体系建设一直是绿洲开发治理和保护的核心问题,乌兰布和沙漠东北部人工绿洲是内蒙古河套平原绿洲的一部分,近60年来试验和营造了多种林网结构和模式的防护林体系,保障了乌兰布和沙漠绿洲内农田和人民的生产安全,同时也为我国干旱区绿洲防护林体系建设提供了丰富的造林模板。如绿洲建设初期采用的苏联的“宽林带,大网格”造林模式,20世纪60年代营造的“窄林带,小网格”模式及其他零散分布的防护林模式等。面对繁多的防护林林网模式,如何科学评估其防风效果,从而测算出具有更好防风效果的防护林带(网)结构与模式,将对未来干旱绿洲防护林建设及植被恢复与重建具有重要意义。基于风速流场的观测方法在野外观测中鲜有应用,传统防护林防风效果观测一直采用林带中轴线后不同树高范围的单一“线状”观测。范志平等[5]在野外观测了单条林带后的风速流场分布情况,并得出林带后2.5H ~ 19H范围为风速减弱区。有学者[6-8]运用水平风速流场分析了乌兰布和沙漠绿洲防护林单林带和单网格内的防风效果。但以上研究多侧重单林带或单林网的风速流场,没有对风速流场的特性和其他具体分析方法做进一步阐述。另外,基于风速流场的防护林研究方法在风洞模拟实验和数值模拟实验中应用相对较多[9-18],但只侧重描述流场分布特征和理论机制,没有深入探讨林网“防护面积”等防护林防护效果范畴。关于林带(网)的“有效防护面积”,范志平最初用林带长度和有效距离的函数表达式S = fL, H, α)来计算单条林带前后风速等值线所形成面积,该方法首次提出了防护林带(网)防护面积的概念,但没有明确说明“有效防护面积”是指对应具体多大的防风效能,也没有对相关风速特征参数做进一步的深入分析[5]。包岩峰[4]利用野外和风洞模拟实验对基于风速流场防护林带(网)“防护面积”的测算提出了新的方法,即以林网内多点均匀分布的风速同步观测数据为前提,通过绘制风速流场及计算不同风速等值线在林网范围内所围成的“防护面积”、统计风速分布频数、风速半方差变异函数模型等评价防护林带(网)防风效果,该计算方法是在防护林传统风速“线”状观测防风效果及范志平“有效防护面积”的概念基础上拓展提出[5]。该评价方法为防护林防风效果研究及防护林带(网)结构与配置优化技术等方面提供了科学依据,也为干旱区绿洲防护林建设提供了理论基础和参考模板。

    • 野外实验以内蒙古磴口县中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第二、三、四实验林场的防护林带(网)为研究对象,所选的各防护林带(网)均长势良好,无明显的残缺断口,防护林带(网)详情见图1表1。林网1是20世纪80年代普遍应用的一种防风固沙林,主林带是由8行乔木(新疆杨 + 箭杆杨 Populus alba + Populus nigra)组成的紧密型(疏透度为0.13)“窄林带,小网格”模式,主林带间距小;林网2是主林带由2行乔木(新疆杨 P. alba)组成的疏密型(疏透度为0.24)“窄林带,小网格”模式,在第三实验林场配置较多;林网3是乔灌混交的“窄林带,小网格”模式,主林带是由2行乔木 + 2行灌木(小美旱杨 + 沙枣 P. simonii + Elaeagnus angustifolia)混交组成的疏透型(疏透度为0.27)林带,配置在绿洲外围;林网4是由2行乔木(小美旱杨 P. simonii)组成的通风型(疏透度为0.39)“窄林带,小网格”模式,其配置与林网3相同,主林带经过抚育处理后林带枝下高比林网3高,配置在绿洲外围;林网5的主林带是由2行乔木(新疆杨)组成的疏透型(疏透度为0.27)林带,其配置模式为主林带短,副林带长的窄长类型林网。

      图  1  不同类型防护林林网

      Figure 1.  Different types of shelterbelt nets

      表 1  不同防护林参数

      Table 1.  Parameters of different shelterbelts

      林网编号(实验地)
      Shelterbelt net No.
      (experimental site)
      林带
      Forest belt
      树种配置
      Tree species allocation
      株行距
      Plant row spacing /m
      树高
      Tree height/m
      枝下高
      Clear bole height (CBH)/m
      冠幅
      Crown width
      胸径
      DBH/m
      林带走向
      Trend of forest belt
      林网规格
      Shelterbelt net specification
      林网类型
      Shelterbelt net type
      林网1(二场)
      Shelterbelt net 1
      (experimental farm II)
      主林带a
      Auxiliary forest belt a
      新疆杨 + 箭杆杨
      Populus alba + P. nigra
      3 m × 7 m 20.0 1.8 1.9 m × 2.1 m 23.6 南北
      North-south
      300 m × 90 m 网格
      Net type
      主林带b
      Auxiliary forest belt b
      新疆杨 + 箭杆杨
      P. alba + P. nigra
      3 m × 7 m 20.6 1.7 1.5 m × 1.7 m 23.8 南北
      North-south
      副林带a
      Accessorial forest belt a
      新疆杨 + 箭杆杨
      P. alba + P. nigra
      4 m × 5 m 28.5 2.0 2.8 m × 3.6 m 28.8 东西
      East-west
      副林带b
      Accessorial forest belt b
      新疆杨 + 箭杆杨
      P. alba + P. nigra
      4 m × 5 m 24.0 2.4 3.1 m × 3.8 m 30.3 东西
      East-west
      林网2(三场)
      Shelterbelt net 2
      (experimental farm III)
      主林带a
      Auxiliary forest belt a
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 1.5 m 24.0 3.0 3.1 m × 3.8 m 27.5 南北
      North-south
      300 m × 140 m 网格
      Net type
      主林带b
      Auxiliary forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 1.5 m 22.5 1.9 2.7 m × 4.0 m 20.5 南北
      North-south
      副林带a
      Accessorial forest belt a
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 2 m 23.3 2.8 3.0 m × 2.2 m 24.3 东西
      East-west
      副林带b
      Accessorial forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 2 m 25.5 4.3 4.2 m × 2.4 m 26.0 东西
      East-west
      林网3(四场)
      Shelterbelt net 3
      (experimental farm IV)
      主林带a
      Auxiliary forest belt a
      小美旱杨 + 沙枣
      P. simonii + Elaeagnus angustifolia
      2 m × 6 m 14.2 4.2 3.1 m × 4.7 m 18.7 南北
      North-south
      240 m × 90 m “U”型
      “U” type
      主林带b
      Auxiliary forest belt b
      小美旱杨 + 沙枣
      P. simonii + E. angustifolia
      2 m × 6 m 14.5 3.8 3.3 m × 4.2 m 19.1 南北
      North-south
      副林带b
      Accessorial forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 2 m 22.0 2.6 2.2 m × 2.8 m 21.5 东西
      East-west
      林网4(四场)
      Shelterbelt net 4
      (experimental farm IV)
      主林带a
      Auxiliary forest belt a
      小美旱杨
      P. simonii
      2 m × 6 m 15.1 4.5 3.4 m × 4.9 m 19.4 南北
      North-south
      240 m × 90 m “U”型
      “U” type
      主林带b
      Auxiliary forest belt b
      小美旱杨
      P. simonii
      2 m × 6 m 15.6 4.2 2.9 m × 4.1 m 19.2 南北
      North-south
      副林带b
      Accessorial forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 2 m 20.4 2.7 2.1 m × 3.4 m 20.8 东西
      East-west
      林网5(四场)
      Shelterbelt net 5
      (experimental farm IV)
      主林带a
      Auxiliary forest belt a
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 4 m 18.0 1.9 1.4 m × 2.8 m 20.0 南北
      North-south
      90 m × 160 m “长方”型
      Rectangle type
      主林带b
      Auxiliary forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 4 m 18.4 2.1 1.7 m × 3.1 m 21.4 南北
      North-south
      副林带a
      Accessorial forest belt a
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 3 m 20.3 1.2 2.3 m × 1.7 m 23.0 东西
      East-west
      副林带b
      Accessorial forest belt b
      新疆杨
      P. alba
      1 m × 3 m 19.2 1.6 1.6 m × 2.7 m 22.5 东西
      East-west
      注:“U”型表示缺一条副林带的防护林林网。Note: “U” type means the shelterbelt net with one accessorial belt missing.
    • 研究采用10通道HOBO小型气象站、三杯风速感应器和风向感应器(Onset Company,Bourne,MA, USA)对不同防护林林网内的各点风速和林网风向进行观测,风速观测高度均为2 m,每1秒记录1次风速数据,一次大风取一组数据。在绿洲外围上风向800 ~ 1 000 m外平坦处布设一台小型气象站观测旷野风速和风向,便于与防护林林网内各观测点的风速进行对照比较。

      防护林林网内观测点的布设如图2所示,将主林带a设为X轴,副林带a设为Y轴,并在主林带a上,从中轴线向两侧以HH代表树高)或2H(2倍树高)长度均分X轴,在副林带a即Y轴方向按H长度划分Y轴,各坐标点在平面内的交叉点设置为风速观测点。

      图  2  防护林林网观测点分布

      Figure 2.  Distribution of observation sites in shelterbelt nets

    • 实验获取的风速数据为林网内均匀分布的多点风速同步观测数据,主林带与风向夹角近似垂直(风向与主林带夹角范围为247.5° ~ 292.5°),各林网所参考的对照风速值均相似,差值小于等于0.5 m/s。通过地学软件对风速数据插值计算,得到防护林林网内的风速流场分布特征,风速流场分布可较直观地反映出防护林带(网)对来流的削弱和林带后风速空间的分布情况,是分析林网内风速分布特征和规律的重要理论依据。

      运用统计学软件对风速数据进行数理统计,分析不同配置规格林网内风速数据的最大值、最小值、平均值、标准差等常用数理统计参数,并通过风速频数直方图和变异系数(CV)等指标进一步分析林网内风速分布特征和各样本间的变异系数。

    • 运用地学统计软件对不同配置林网内的风速分布格局和风速空间变异程度进行分析,风速半方差变异函数模型分析涉及到的参数分别为块金值(C0)、基台值(C0 + C)、变程(A0)和区域化变量的空间相关度(C0/(C0 + C))。

    • 防风效能是指观测点平均风速比旷野风速减小数值的百分比,是体现防护林(带)网防护能力的一项重要指标。防风效能的计算公式如下[4]

      $$ {E_{h{\textit{z}}}} = \left( {{V_{f{\textit{z}}}}-{V_{h{\textit{z}}}}} \right)/{V_{f{\textit{z}}}} \times 100\% $$ (1)

      式中:Ehz为防风效能,它是指在林(带)网前后h距离处,z高度的平均风速值比旷野减小的百分比,反映风速削弱的程度;Vfz是指在旷野f处,z高度的平均风速值;Vhz是指林(带)网前后h距离处,z高度的平均风速值。

    • 当风向与林网1的夹角为80.5°,林网1内的风速流场分布如图3所示,林网1内风速流场分布相对整齐,风速等值线闭合成为圈层风影区,风速自主林带后呈先增加再减弱的规律。在主林带背风侧1HH = 20 m)距离内风速等值线平行于林带走向,在1.5H处形成了多个密集的风影区,风速在2.0 ~ 2.4 m/s之间,并在1.5H后风速明显逐渐减弱,风速在林网四角相对较小形成了弱风区。

      图  3  防护林林网1内风速(m/s)流场分布

      Figure 3.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 1

    • 当风向与林网2的夹角为77.5°,林网2内的风速流场分布如图4所示,林网2内的风速流场分布相对整齐,在主林带后2HH = 24 m)范围内风速等值线均匀减小且基本平行于林带走向,在2H后风速显著减小,风速流场相互作用呈现出较大面积的风影区,形成了类似于倒三角形状的风影区。

      图  4  防护林林网2内风速(m/s)流场分布

      Figure 4.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 2

    • 当风向与林网3的夹角为75.02°,林网3内的风速流场分布如图5所示,林网3内的风速流场是既有风影区又有风速加速区的复杂流场,但可以看出风影区出现在林带后偏副林带方向2HH = 14.2 m)范围内,在林带3H后风速逐渐增大,并在林网“U”型开口处形成了面积较大的风速加速区,这与该林网缺少一条副林带有直接关系。

      图  5  防护林林网3风速(m/s)流场分布

      Figure 5.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt 3

    • 当风向与林网4的夹角为75.18°,林网4内的风速流场分布如图6所示,林网4与林网3的配置规格相同,其风速流场分布特征为在主林带后形成了较大面积的风速减弱区,风影区出现在主林带后3HH = 15.1 m)附近且偏向副林带,由于林网4也是“U”型开口的防护林林网,林网内的风影区整体偏向副林带且开口处风速较大,风速流场这种分布特征与该林网缺少一条副林带不无关系。

      图  6  防护林林网4内风速(m/s)流场分布

      Figure 6.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 4

    • 当风向与林网5的夹角为71.3°,林网5内的风速流场分布如图7所示,林网5内的风速流场具有多个风影区和风速加速区。显著的风影区出现在主林带后2HH = 20.3 m)范围内,风速随着林带距离的增加而增加,在林带后4H ~ 6H范围内形成了一个显著的风速加速区,林带6H后风速继续增加。该防护林林网其实就是常见防护林的短副林带变为主林带,长主林带变为副林带的一种林网配置模式,这种“长方”型配置是形成上述风速流场分布的主要原因。

      图  7  防护林林网5内风速(m/s)流场分布

      Figure 7.  Distribution of wind speed (m/s) field in shelterbelt net 5

    • 防护林林网内空间各点观测的风速数据是不同林带(网)对风速削弱程度的直接体现,也是风速变化和分布特征的重要数据来源,对不同林网内的风速最大值、最小值、平均值和标准差等常用数理统计参数进行统计分析,可以进一步揭示不同林网内风速的分布规律。如表2可以看出:在旷野风速相近的前提下,5种林带(网)对风速的削弱能力差异显著。5种不同防护林林网内风速平均值分布范围为1.25 ~ 3.23 m/s之间,风速平均值依次为林网4 > 林网5 > 林网3 > 林网2 > 林网1,不同林网内变异系数大小依次为林网1 > 林网3 > 林网2 > 林网4 > 林网5。由此可见,在不同的“窄林带,小网格”防护林林网模式中,主林带由8行乔木构成的紧密型林网1,其削弱林网内风速的能力最强,风速变异系数最大为47.5%;主林带由2行乔木组成的通风型林网4,其林网内的平均风速最大,风速变异系数仅为13.8%。这同时也揭示了风速的变异系数与主林带结构和林网配置规格具有一定的相关性,即主林带疏透度越大则风速在林网内的变异系数越小。其他由2行乔木或乔灌混合而成的疏透型林网2、林网3和林网5的风速平均值依次为2.45、2.80和3.02 m/s,风速变异系数依次为20.8%、22.1%和9.6%。具有“长方”型配置的林网5由于其主林带短、副林带长的林网配置特点,该林网内的最大风速值与最小风速值的差距并不大,且风速分布稳定,风速变异系数最小。

      表 2  不同配置林网内风速分布统计参数

      Table 2.  Statistic parameters of wind speed distribution in different allocated shelterbelt nets

      林网
      Shelterbelt net
      样本数
      Sample number
      最大值
      Maximum /(m·s−1
      最小值
      Minimum /(m·s−1
      MSDSD峰度
      Kurtosis
      偏度
      Skewness
      CV/%
      林网1 Shelterbelt net 1 84 2.77 0.41 1.25 ± 0.06 0.594 − 0.099 0.725 47.5
      林网2 Shelterbelt net 2 91 3.61 1.54 2.45 ± 0.05 0.510 − 0.278 0.557 20.8
      林网3 Shelterbelt net 3 60 4.58 1.48 2.80 ± 0.08 0.620 0.749 0.006 22.1
      林网4 Shelterbelt net 4 56 4.02 2.47 3.23 ± 0.06 0.445 − 1.285 −0.280 13.8
      林网5 Shelterbelt net 5 48 3.56 2.28 3.02 ± 0.04 0.291 − 0.321 − 0.348 9.6

      风速频数直方图可以直接反映出林网内风速分布的集中性和变异性。由图8可以看出:各林网内的风速分布皆符合正态分布,林网1内的风速频数分布为右偏,峰态类型为低阔峰;林网2内的风速频数分布为右偏,峰态类型为低阔峰;林网3内的风速频数分布为右偏,峰态类型为高狭峰;林网4内的风速频数分布左偏,峰态类型为低阔峰;林网5内的风速频数分布左偏,峰态类型为低阔峰。分析得出:风速频数分布表现为左偏是由于林网内最大风速与最小风速值的差较小,右偏是由于差值较大造成。各林网的一般峰态类型均为低阔峰,表示这种“窄林带,小网格”林网内的风速分布较为集中,但林网3为高狭峰,即风速分布曲线呈削尖状,且林网内最大风速与最小风速差值最大,可能是乔灌复合林带与“U”型开口的林网配置类型共同作用而成。

      图  8  不同配置防护林林网内风速频数分布特征

      Figure 8.  Distribution characteristics of wind speed frequency in different allocated shelterbelt nets

    • 不同林网内的风速半方差变异函数模型是分析林网内风速空间分布和变异的函数模型。由表3可知:不同林网内的风速能够较好地拟合为高斯模型和球状模型的变异函数,不同林网内风速半方差函数的块金值均小于0.137,由实验误差和小于实际取样尺度引起的变异非常小,即随机部分的空间异质性较小。各林网的变程值即空间连续性表现为与林网内的风速平均值趋于一致,4种林网的块金值与基台值比值小于25%,林网内的风速具有强烈的空间自相关性,林网3表现为中等的空间相关性,该结果也进一步诠释了林网3空间连续性没有与林网内风速平均值变化完全相同的原因。

      表 3  不同林网内风速半方差函数模型参数

      Table 3.  Semivariogram model parameters of wind speed in different shelterbelt nets

      林网
      Shelterbelt net
      拟合模型
      Fitting model
      块金值
      Nugget value (C0)
      基台值
      Partial sill (C0 + C)
      变程
      Range/m
      (C0/(C0 + C))/%R2残差
      Residual
      林网1 Shelterbelt net 1 高斯模型
      Gaussian model
      0.045 0.354 23.9 12.7 0.734 0.01
      林网2 Shelterbelt net 2 高斯模型
      Gaussian model
      0.001 0.321 95.3 0.3 0.821 0.01
      林网3 Shelterbelt net 3 球状模型
      Spherical model
      0.137 0.409 43.5 33.5 0.973 1.49 × 10− 3
      林网4 Shelterbelt net 4 高斯模型
      Gaussian model
      0.077 0.541 287 14.2 0.822 7.49 × 10− 3
      林网5 Shelterbelt net 5 高斯模型
      Gaussian model
      0.034 0.244 242.7 13.9 0.934 8.45 × 10− 4
    • 防风效能是评价不同防护林网防风能力的一项重要指标,通过防风效能可以直接反映防护林带(网)削弱了多少风能,在防护林传统观测中经常提到“有效防护距离”的概念,即林带后垂直于林带直线上风速降低50%处的点到林带的距离。当然在这条直线上任一点到林带的距离不同其防风效能也不同。根据风速流场观测的特点,防护林林网内不同数值的风速等值线可以与防护林主副林带围成具有一定面积的闭合曲线,即每一条风速等值线对应一个面积固定的闭合曲线,若将风速转换为防风效能,即每一个防风效能对应一个固定的防护面积,同理上述“有效防护距离”的概念,我们也可以计算出防风效能为50%时林网内风速等值线所围成的面积是多大。根据此方法,可以准确计算出任一防风效能所对应的防护面积,从而为对比林网面积相似,具有不同林带结构、配置规格林网的不同防风效能所对应的防护面积或防护百分比(防护面积/林网总面积 ×100%)提供科学依据。

      5种不同林网的防风效能如表4所示,其防风效能范围(林网内最低防风效能至最高防风效能)依次是:林网1为65% ~ 95%,林网2为67% ~ 85%,林网3为46% ~ 82%,林网4为44% ~ 67%,林网5为56% ~ 72%。当防风效能较高为70%,林网1、林网2的防护百分比分别为96.8%和96.4%,也就是说几乎整个林网1、林网2均能达到70%的防风效能,而林网3的防护百分比为23.3%,林网5仅为1.2%,林网4内则无法达到70%的防风效能,由此可见,林网1和林网2具有较高的防风效能。林网1和林网2虽然都达到较高的70%的防风效能,但林网1是由8行乔木组成的紧密型林带,林网2是由2行乔木组成的疏密型林带,所以相同的防护效果林网2在节约水土资源方面更具优势。当防风效能为65%,林网3的防护百分比为44.1%,林网5为28.2%,林网4仅为1.8%,林网1和林网2是高防风效能林网所以防护百分比已达到100%。当防风效能为60%,林网3的防护百分比为75.9%,林网5为83.0%,林网4较小为30.7%,显然林网3和林网5发挥了较好的防护效果。其中,具有相同配置规格的“窄林带,小网格”林网3和林网4防护效果差异显著,由乔灌混合林带构成的林网3其有效防护百分比是纯乔木林带构成的林网4的2.47倍。“长方”型配置的窄长林网5能较好的地维持60%左右的防风效能。当防风效能为55%,林网3的防护百分比为92.0%,林网4的防护百分比为72.7%,其他林网的最低防风效能均高于55%,达到100%。林网3和林网4的防护百分比差为19.3%,尽管缺少一条副林带在一定程度上会影响林网内的风速流场和防风效能,但在风向基本垂直于主林带的情况下,“窄林带,小网格”林网中,由乔灌混交林带构成的疏透型林网其防风效能要明显优于由乔木纯林构成的通风型林网模式。

      表 4  不同防护林林网在相同防风效能下的防护面积及百分比

      Table 4.  Protection area and percentage of different shelterbelt nets underthe same windbreak efficiency

      防风效能
      Windbreak efficiency/%
      林网
      Shelterbelt net
      林网规格
      Shelterbelt net allocation
      林网面积
      Shelterbelt net area/m2
      防护面积
      Protection area/m2
      防护百分比
      Protection percentage/%
      70林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00026 124.796.8
      林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00040 477.696.4
      林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 6005 024.923.3
      林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 60000
      林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 400171.21.2
      65林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
      林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
      林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 6009 525.044.1
      林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 600377.61.8
      林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 4004 056.128.2
      60林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
      林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
      林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 60016 393.575.9
      林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 6006 638.030.7
      林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 40011 954.883.0
      55林网1 Shelterbelt net 1300 m × 90 m27 00027 000.0100.0
      林网2 Shelterbelt net 2300 m × 140 m42 00027 000.0100.0
      林网3 Shelterbelt net 3240 m × 90 m21 60019 867.792.0
      林网4 Shelterbelt net 4240 m × 90 m21 60015 712.072.7
      林网5 Shelterbelt net 590 m × 160 m14 40027 000.0100.0
    • 目前防护林防风效果的野外观测方法基本都是在林带后中轴线树高(H)倍数范围内的“线状观测”,这样的观测方法是基于整条林带结构完全相同的假说上提出来的,但野外实验所选的防护林林带很少能够达到完全均一,或林带残缺或树高不一,所以很难用防风效果的“线状观测”来精确地反映出整个林带,尤其是防护林林网的真实防风效果。随着野外观测手段的不断提高,基于风速流场的研究不断涌现,这就要求我们要在以往防护林防风效果“线状观测”的方法上拓展出一套“面状观测”的方法。本文通过野外观测获取防护林带(网)内空间多点风速的同步数据,直观、准确地呈现了防护林林网内的风速流场分布,确定了某个特定时间段内防护林林网内的风速分布情况,从而为精准评价防护林带(网)防风效果及防护林配置结构优化提供了数据支撑。风速流场空间分布、风速统计分析和频数分布特征、风速分布变异函数等分析可以反映出防护林林网内的风速分布特征及林带(网)的防护效果。这些指标与林带(网)结构具有一定的相关性,如风速的变异系数与主林带结构和林网配置规格的相关性、风速频数分布偏度与风速最大值与最小值差值的相关性、峰态类型与风速分布情况的相关性、林网变程值与风速平均值的相关性等。防风效能是评价防护林带(网)防风效果的一项重要指标,也是对比不同结构、配置类型防护林带(网)防风效果的重要参考指标。基于风速流场分析的防护林带(网)防风效能研究均能控制在一个固定区域范围,如一个林网面积内,基于上文关于防护面积的分析,那么在这个固定区域范围内每一个确定的防风效能对映一个固定的面积(防护面积),该防护面积或防护百分比为对比和评价不同结构、配置类型防护林带(网)提供了重要参数数据。但在野外防护林带(网)防风效果观测中使用防护面积和防护百分比前需要满足一定的限制条件,如相似的来流风速(旷野风速),相似或相等的林网面积,相似的林带与来流风向夹角等。而关于防护林带(网)防风效果的风洞模拟实验在控制来流风速大小、林网模型相似及林带与风向夹角等限制因素方面更易实现,其结果更精准。

    • (1) 5种防护林网削弱风速的能力差异显著,风速平均值分布范围为1.25 ~ 3.23 m/s;各林网风速平均值的顺序为林网4 > 林网5 > 林网3 > 林网2 > 林网1;“窄林带,小网格”防护林中主林带疏透度越大,林网内风速变异系数越小;各林网内的风速分布皆符合正态分布,其中林网1、林网2和林网3偏度为右偏态,林网4和林网5偏度为左偏态,各林网峰态类型多为低阔峰,风速分布相对集中。。

      (2)林网1、林网2、林网4和林网5均能较好地拟合为高斯模型变异函数,林网3拟合为球状模型变异函数。不同林网内风速半方差函数的块金值均小于0.137,基台值范围在0.244 ~ 0.541,空间连续性顺序为林网4 > 林网5 > 林网2 > 林网3 > 林网1。

      (3) 5种防护林防风效能范围林网1为65% ~ 95%,林网2为67% ~ 85%,林网3为46% ~ 82%,林网4为44% ~ 67%,林网5为56% ~ 72%;林网1和林网2均具有较高的防风效能,但是由2行乔木组成的疏密型林网2在节约水土资源和推广应用方面更具优势;当防风效能为60%,具有相同规格的“窄林带,小网格”林网3和林网4,由2行乔木2行灌混合林带构成的林网3其防护面积是2行纯乔木林带构成的林网4的2.47倍,防风效能为55%时,林网3的防护面积是林网4的1.47倍。

参考文献 (18)

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